自供电无线模拟太阳角敏感器属于航天器姿态测量传感器技术领域，其特征在于，含有太阳角敏感器单元、电源支持单元、无线通信单元。其中太阳角敏感器单元包括前端光学系统、太阳角敏感器、调理电路和外腔体四个部分，电源支持单元包括能源收集器件和电源管理电路两个部分，无线通信单元包括所述调理电路相连以接收太阳角度信息的Ａ／Ｄ转换电路和无线通信电路。本发明专利技术的实现了自主供电、纯无线化的模拟太阳敏感器，采用二维位置敏感探测器ＰＳＤ作为太阳角敏感器，精度高，且结构简单，尺寸小，无外部物理连接的电气接口，有利于应用系统的集成设计。
【技术实现步骤摘要】
.本专利技术涉及一种航天器用模拟太阳敏感器，属于航天器姿态测量传感器
技术介绍
太阳敏感器作为姿态测量系统的一种姿态矢量获取传感器，被广泛的用于各种航天器。 随着空间飞行器向微小型化、模块化等方向的发展，灵巧智能化的太阳敏感器的需要越来越 迫切。现有的太阳敏感器主要有数字式和模拟式，其中数字式太阳敏感器前端需求复杂的光 学系统，而后端的图像运算处理计算复杂，器件功耗、体积都较大，相应的数据量大，在敏 感器件和姿态确定系统之间需要较大的通信容量，难以适应微纳型卫星、自由飞行群等空间 飞行器的应用。而模拟太阳敏感器对前端的光学系统要求较低，而且不需要复杂的运算处理， 相应的功耗和体积较小，可以设计成灵活的结构，更加适合微纳型卫星的需求，并可以为大 型卫星提供更为灵活的系统设计方案。现有的模拟太阳敏感器存在以下不足1. 对外电气接口 (包括电源接口和通信接口)采用有线连接的物理接口，其灵活性受到 极大的约束，不利于系统设计。2. 对外部电源的性能要求较高。3. 模拟太阳敏感器作为姿态测量传感器之一，配置和接口都在设计阶段被固化，很难做 到自主、灵活，特别是即插即用的需求。4. 采用光电电池作为太阳角的探测敏感器，其性能受到光强的影响较大，因而精度低。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有模拟太阳敏不能完全无线化、自主和灵活性差的问题。本专利技术自供电无线模拟太阳角敏感器，其特征在于，含有太阳角敏感器单元、电源支 持单元以及无线通信单元，其中太阳角敏感单元，含有外腔体、前端光学系统、太阳角敏感器和调理电路，其中外腔体，以所述外腔体的重心O为原点建立一个笛卡尔坐标系，以平行于水平面方向为 X轴，垂直于水平面的方向为Y轴，垂直于平面XOY的方向为Z轴，光孔，开在所述外腔体表面的中心位置，且其中心位于所述轴Z轴上，起前端光学系统的作用，太阳角敏感器采用二维位置敏感探测器PSD，所述二维位置敏感探测器位于所述XOY 平面上，且该二维位置敏感探测器的中心与所述外腔体重心O重合，电极X,位于-X轴上， 电极X2位于+X轴上，电极Y,位于-Y轴上，电极Y2位于+Y轴上，太阳光通过所述作为前 端光学系统的光孔在所述太阳角敏感器表面上形成光斑，该光斑的位置将随着不同的太阳光 入射角而改变，该光斑的质心坐标为(JC,力，其中一2 (/J/J'其中L、 ^分别为所述X轴向两电极X卜X2的输出电流，/"、 ^分别为所述Y轴向两电极Yi、 Y2的输出电流，丄x为所述二维位置敏感探测器PSD在X轴上的有效长度，丄y为所述二维位置敏感探测器PSD在Y轴上的有效长度，都为设定值，调理电路，依次由电流一电压转换、放大和滤波子电路串联而成，该调理电路的输入是 所述二维位置敏感探测器PSD的四个输出电流^、 /,2、 ^、 、2;电源支持单元，由能源收集器件和电源管理电路依次串联而成，其中能源收集器件，采用多个砷化镓太阳电池片，安装在所述太阳角敏感单元上的光孔所在 的该外腔体表面的前端，向所述电源管理电路输出电流，电源管理电路，是一个电源监测芯片，用以检测所述砷化镓太阳电池片输出的电压，当 所述砷化镓太阳电池片输出电压小于最大输出电压范围内的低值时，向所述无线通信单元发 送脉冲信号报警，所述电源管理单元同时向所述太阳角敏感器、调理电路和无线通信单元供 电；无线通信单元依次由无线通信电路和A/D转换电路串联而成，其中 A/D转换电路输入端与所述调理电路的信号输出端相连，该A/D转换电路， 一次完成回 路电压采样，组成一组数据传输至无线通信电路发射，该一组数据中包含当前太阳角的信息， 无线通信电路，数据信号输入端与所述A/D转换电路的输出端相连，所述无线通信电路采用Zigbee协议作为无线通信协议标准，通过软件加载默认射频配置，并自主发射接收请求 信息，自动与外部的数据接收节点建立自组织的无线通信链路，并依据该数据接收节点发送 的配置指令字完成射频配置，该射频配置指令字包括收发信道编号、收发地址、数据包长 度、校验码长度及校验方式。本专利技术所述的自供电无线模拟太阳角敏感器，其特征在于采用5片三节砷化镓太阳电 池片构成所述能源收集器件，每片太阳电池片的最大输出电压范围为2.3V 2.4V。本专利技术所述的自供电无线模拟太阳角敏感器，其特征在于l片所述太阳电池片为所述 无线通信单元供电，其余4片太阳电池片串联连接后为所述调理电路提供-2.4V -2.3V负电 压和2.3V 2.4V正电压，并为所述二维位置敏感探测器提供6.9V 7.2V的偏置电压。本专利技术提供了一种自供电无线模拟太阳角敏感器，结构见图1，其特征在于含有太阳 角敏感器单元、电源支持单元、无线通信单元。其中太阳角敏感器单元包括前端光学系统、 太阳角敏感器、调理电路和外腔体四个部分，电源支持单元包括能源收集器件和电源管理电 路两个部分，无线通信单元包括A/D转换电路和无线通信电路。本专利技术所述的太阳角敏感器单元的特征在于含有光孔l、太阳角敏感器2、外腔体3， 利用单孔构成前端光学系统，太阳光通过光孔1在太阳角敏感器2表面形成光斑4，太阳角 敏感器单元结构及其坐标定义如图2，根据光的直线传播原理，不同的太阳光入射角将在太 阳角敏感器2的不同位置形成光斑4，通过测量光斑4的位置可以得到当前入射太阳光的角 度信息，调理电路对测量信号进行放大、滤波处理，以利于后续电路处理。以太阳角敏感器 2表面为XOY平面，垂直于XOY平面入射的太阳光形成的光斑质心为坐标原点，Z轴指向 光孔l，建立笛卡尔直角坐标系，如图3，则光斑4质心的坐标与太阳光入射角关系可用下式表示其中(x，J)为光斑4质心坐标，e为太阳光入射方位角，A为太阳光入射俯仰角，H为光 孔1到坐标原点的距离。进一步可以得到太阳光入射角与光斑4质心坐标的关系可用下式表X = * * COS ^本专利技术所述的太阳角敏感器的特征在于來用二维位置敏感探测器PSD (Position Sensitive Detector)作为太阳角敏感器2，入射光斑4质心在二维位置敏感探测器PSD表面的 坐标位置和4个电极X,、 X2、Y2的输出关系如图4，可以表示为下式X — " * (A:2 -D 7(/I2 + /J其中(x，力为光斑4质心坐标，/xl、 ^为X轴向两电极Xi、 X2的输出电流，/yl、 /,2为 Y轴向两电极Yi、 Y2的输出电流，k为PSD在X轴向的有效长度，i^为PSD在Y轴向的 有效长度，对于具体的器件而言，h和i^为常数。实际使用中，图3和图4的坐标系重合， 则可以得到太阳光入射角和二维PSD输出电流之间的关系可表示为下式arccos -+乙+乙、2广 +丄,'y2《2 + 、i 乂2//、2丄X'+乙+、2:A'2 -"V本专利技术所述的调理电路的特征在于调理电路将二维位置敏感探测器PSD的四个电极输 出电流信号分别转换为电压信号，并进行放大和滤波处理，并将这四路电压信号送入无线通 信单元，由于这四路电压信号含有太阳光入射角度信息，因而可以通过解算上述公式实现太 阳角的测量。本专利技术所述的电源支持单元的特征在于采用三节砷化镓太阳电池片作为其能源收集器 件，能源收集器件连接到电源管理电路，通过电源管理电路为本专利技术所述的其它部分提供电 源，无本文档来自技高网...
【技术保护点】
自供电无线模拟太阳角敏感器，其特征在于，含有：太阳角敏感器单元、电源支持单元以及无线通信单元，其中： 太阳角敏感单元，含有：外腔体、前端光学系统、太阳角敏感器和调理电路，其中： 外腔体，以所述外腔体的重心Ｏ为原点建立一个笛卡尔坐标系，以平行于水平面方向为Ｘ轴，垂直于水平面的方向为Ｙ轴，垂直于平面ＸＯＹ的方向为Ｚ轴， 光孔，开在所述外腔体表面的中心位置，且其中心位于所述轴Ｚ轴上，起前端光学系统的作用， 太阳角敏感器采用二维位置敏感探测器ＰＳＤ，所述二维位置敏感探测器位于所述ＸＯＹ平面上，且该二维位置敏感探测器的中心与所述外腔体重心Ｏ重合，电极Ｘ↓［１］位于－Ｘ轴上，电极Ｘ↓［２］位于＋Ｘ轴上，电极Ｙ↓［１］位于－Ｙ轴上，电极Ｙ↓［２］位于＋Ｙ轴上，太阳光通过所述作为前端光学系统的光孔在所述太阳角敏感器表面上形成光斑，该光斑的位置将随着不同的太阳光入射角而改变，该光斑的质心坐标为（ｘ，ｙ），其中： ｘ＝Ｌｘ／２＊（Ｉ↓［ｘ２］－Ｉ↓［ｘ１］）／（Ｉ↓［ｘ２］＋Ｉ↓［ｘ１］）， ｙ＝Ｌｙ／２＊（Ｉ↓［ｙ２］－Ｉ↓［ｙ１］）／（Ｉ↓［ｙ２］＋Ｉ↓［ｙ１］）， 其中：Ｉ↓［ｘ１］、Ｉ↓［ｘ２］分别为所述Ｘ轴向两电极Ｘ↓［１］、Ｘ↓［２］的输出电流， Ｉ↓［ｙ１］、Ｉ↓［ｙ２］分别为所述Ｙ轴向两电极Ｙ↓［１］、Ｙ↓［２］的输出电流， Ｌｘ为所述二维位置敏感探测器ＰＳＤ在Ｘ轴上的有效长度，Ｌｙ为所述二维位置敏感探测器ＰＳＤ在Ｙ轴上的有效长度，都为设定值， 调理电路，依次由电流－电压转换、放大和滤波子电路串联而成，该调理电路的输入是所述二维位置敏感探测器ＰＳＤ的四个输出电流Ｉ↓［ｘ１］、Ｉ↓［ｘ２］、Ｉ↓［ｙ１］、Ｉ↓［ｙ２］； 电源支持单元，由能源收集器件和电源管理电路依次串联而成，其中： 能源收集器件，采用多个砷化镓太阳电池片，安装在所述太阳角敏感单元上的光孔所在的该外腔体表面的前端，向所述电源管理电路输出电流， 电源管理电路，是一个电源监测芯片，用以检测所述砷化镓太阳电池片输出的电压，当所述砷化镓太阳电池片输出电压小于最大输出电压范围内的低值时，向所述无线通信单元发送脉冲信号报警，所述电源管理单元同时向所述太阳角敏感器、调理电路和无线通信单元供电； 无线通信单元依次由无线通信电路和Ａ／Ｄ转换电路串联而成，其中： Ａ／Ｄ转换电路输入端与所述调理电路的信号输出端相连，该Ａ／Ｄ转换电路，一次完成回路电压采样，组成一组数据传输至...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：尤政，刘有军，李伟，邢飞，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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